基于金属网格电极的柔性透明葡萄糖传感器研究

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快速准确的葡萄糖检测在食品安全、环境监测以及疾病检测和预防等领域有着巨大的应用前景,电化学传感技术由于具备操作简单、检测迅速和灵敏度高等独特优势而被广泛应于葡萄糖检测分析领域。目前大多数的无酶电化学葡萄糖传感器一般是刚性的,且表面较为粗糙,应用于人体生物传感时,容易引起皮肤瘙痒、过敏等问题。并且随着可穿戴电子设备的发展,功能性、舒适性、及透明性成为研究者追求的目标。而目前已报道的柔性电化学葡萄糖传感器也往往面临透气性差等问题,这些局限性导致现有的电化学葡萄糖传感器难以实际应用于可穿戴医疗设备。针对以上不足,本文采用自支撑微网格结构制备了一种共形、透气且光学透明的Cu@Ni和Cu2O@Ni葡萄糖监测贴片。这种微网格结构的葡萄糖监测贴片具有良好的共形性、透气性和透光率,而且可以通过调节微网格周期、厚度和线宽,实现对监测贴片传感性能、透气性和透光性的调控和优化。本文制备的葡萄糖传感器具有检测灵敏度高、探测极限低、响应时间短、选择性高和稳定性好等特性,且采用的自支撑微网格方案,可扩展为制备透气、透明类皮肤电子器件的普适方法,为未来可穿戴医疗电子产品的发展提供了新的思路。本文的主要内容有:(1)采用激光直写技术、接触式紫外曝光技术和选择性电沉积工艺制备柔性透明的镍金属网格薄膜,然后在镍金属网格薄膜表面原位电沉积一层Cu纳米颗粒以实现Cu@Ni无酶葡萄糖传感器的制备,并对其进行电催化性能的测试。Cu@Ni无酶传感器对葡萄糖的检测线性度为4400μAmM-1cm-2,对2μM的葡萄糖仍具有明显的安培响应,还对NaCl、尿素、尿酸、乳糖和蔗糖等干扰物质具有良好的选择性。(2)为实现更高的探测灵敏度、检测极限以及能实现对汗液中分析物的检测,本文继续优化生长材料的配比以及电沉积的参数以实现Cu2O@Ni无酶葡萄糖传感器的制备。实验结果表明,本文制备的Cu2O@Ni无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的检测灵敏度高达15420μAmM-1cm-2,探测极限可达到50nM,响应时间<2s,而且对NaCl、尿素、尿酸、抗坏血酸和多巴胺等干扰物质也具有良好的选择性。此外,制备的葡萄糖传感器也具有良好的时间稳定性,在放置26天的条件下,对同浓度葡萄糖的电流响应约为初始值的95%。更重要是,本文制备的Cu2O@Ni无酶葡萄糖传感器还同时具有轻柔(~1.25 mg/cm2)、透明度高(~80%透过率)、透气性好(~90%的占空比)以及可贴附(与皮肤表面缝隙<5 μm)的特点。在未来,将葡萄糖传感器与微流控技术相结合就可以实现对人体汗液中的葡萄糖进行实时监测,从而实现在可穿戴医疗健康领域的实际应用。还可以将柔性透明天线集成到柔性透明无酶葡萄糖传感器上来实现信息交互,这对糖尿病的检测具有重要意义,对未来“云医疗”的发展也具有一定的借鉴意义。
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